用于LTCC的電感設(shè)計(jì)與建模

1、科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)技術(shù)用于的電感設(shè)計(jì)與建模劉婧孫龍杰，（西安電子科技大學(xué)微電子研究所陜西西安；西安科技大學(xué)微電子研究所陜西西安）摘要：本論文中提出了一種低溫共燒陶瓷嵌入式電感的寬頻等效電路模型，此模型達(dá)到了有效的頻寬，模型包含一個(gè)核心電路，五個(gè)元件組成，模擬了電長(zhǎng)度到的無(wú)損耗傳輸線，有效模擬了線圈間耦合效應(yīng)和接地諧振現(xiàn)象，通過(guò)散射參數(shù)的測(cè)量可以提取出等效電路模型中各個(gè)元件參數(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的型等效電路只能達(dá)到第一個(gè)自我諧振點(diǎn)來(lái)比，本論文中提出的修正型等效電路可達(dá)到更高的諧振點(diǎn)，因此頻寬寬許多，論文用射頻軟件仿真結(jié)果顯示此電感模型可準(zhǔn)確至關(guān)鍵詞：低溫共燒陶瓷嵌入式電感元件模型化中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文

2、章編號(hào)：（）（）近年來(lái)低溫共燒陶瓷技術(shù)（第一個(gè)自我諧振頻率點(diǎn)，常適用在較低頻段范）迅速成為射頻無(wú)圍的電路分析。源集成發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)無(wú)源隨著頻率升高，傳統(tǒng)的嵌入式電感集成技術(shù)的關(guān)鍵在于三個(gè)方面：材料技術(shù)，設(shè)模型已不能達(dá)到產(chǎn)品的適用要求，本文介紹了計(jì)技術(shù)，工藝技術(shù)。目前關(guān)鍵技術(shù)在于一種寬頻的低溫共燒陶瓷嵌入式電感模型，即設(shè)計(jì)層面，電性能設(shè)計(jì)中通過(guò)合理的器件結(jié)構(gòu)修正型等效電路模型，應(yīng)用此模型可掌握更設(shè)計(jì)選擇恰當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料以保證等效無(wú)源集高的諧振頻率點(diǎn)，使用頻寬遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的等效成器件的參數(shù)并有效控制各種分布參數(shù)的影電路。響同時(shí)提高無(wú)源元件的集成度與工作頻率已成為電性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。低溫共燒陶瓷

3、嵌入式電感模型對(duì)于技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)源元件的等微波網(wǎng)絡(luò)法分析模型效電路模型最常見的有傳統(tǒng)型和型圖顯示了低溫共燒陶瓷嵌入式電感的物等效電路模型。如圖所示傳統(tǒng)的型是應(yīng)理模型，此模型分三部分，第一部分為核心電用最廣泛的一種模型電路，此模型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)路，主要為二串聯(lián)電感元件，互感元件，第二部單，元件物理意義清楚，原則上可準(zhǔn)確至元件分為所有接地電容之總和，第三部分為所有線圈耦合電容之總和。微波網(wǎng)絡(luò)法分析嵌入式電感模型的基本思想是將嵌入式電感的等效電路模型等效為電長(zhǎng)度為到的無(wú)損耗傳輸線，分別用導(dǎo)納參數(shù)表達(dá)出兩者的微波網(wǎng)絡(luò)表達(dá)式。數(shù)學(xué)求解出模型中各元件參數(shù)表達(dá)式。根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，分別作出修正型等圖修正型等效電

4、路效電路和電長(zhǎng)度為到的無(wú)損耗傳輸線的參數(shù)表達(dá)式為：圖公式（）圖修正型等效電路與無(wú)損耗傳輸線散射參數(shù)對(duì)比科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)（）公式（）見圖。上述（）式為無(wú)損耗傳輸線的表達(dá)式，（）式為修正型等效電路的表達(dá)式，將電長(zhǎng)度推至和這兩個(gè)極限值，可以發(fā)現(xiàn)（）式及（）式都具有的特性，聯(lián)立（）與（）式求得修正型等效電路模型各元件參數(shù)表達(dá)式為：（）（）（）將以上式聯(lián)立即可得出無(wú)損耗傳輸線之等效電路元件中各元件參數(shù)表達(dá)式。軟件仿真驗(yàn)證利用軟件證明修正型等效電路具有在電氣長(zhǎng)度至范圍內(nèi)近似一條無(wú)損耗傳輸線的特性，假設(shè)特性阻抗為、在時(shí)其電氣長(zhǎng)度為，如圖所示，用模擬所得散射參數(shù)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修正型等效電路可準(zhǔn)確至，其模型頻寬均比傳

5、統(tǒng)或等效電路還要寬許多，寬頻電感等效電路模型皆是以修正型等效電路為基礎(chǔ)所構(gòu)架。電感之建立模型低溫共燒陶瓷嵌入式電感主要存在兩大高頻效應(yīng)，即線圈中的耦合現(xiàn)象和接地效應(yīng)，這兩大高頻效應(yīng)的分析可通過(guò)將修正型型等效電路模型擴(kuò)展來(lái)準(zhǔn)確模擬。以下介紹電感等效電路的完善過(guò)程。第一步，考慮并聯(lián)及串聯(lián)諧振點(diǎn)之電感元件修正型等效電路。無(wú)耗傳輸線修正的型電感等效電路模型，此等效電路模型的電路特性近似于一條無(wú)損耗傳輸線的特性，對(duì)照實(shí)際元件的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的散射參數(shù)可完全吻合頻率高達(dá)，比傳統(tǒng)的或型等效電路頻寬寬許多。圖為考慮并聯(lián)串聯(lián)諧振點(diǎn)的電感元件修正等效電路模型此等效電路模型，其中，與三個(gè)電感與是等效電路的主要諧振

6、頻率點(diǎn)，此點(diǎn)可稱為并聯(lián)諧振點(diǎn)，與兩個(gè)元件是次高階諧振點(diǎn)亦可稱為串聯(lián)諧振點(diǎn)。在此處特定義參數(shù)來(lái)模擬這寄生效應(yīng)：技術(shù)科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)圖考慮并聯(lián)及串聯(lián)諧振點(diǎn)之電感修正型等效電路圖與參數(shù)之虛數(shù)部分頻率響應(yīng)圖圖考慮接地效應(yīng)之電感元件修正型等效電路與參數(shù)之虛數(shù)部分頻率響應(yīng)，（），”，：，（），：，：，：（）圖之元件值中可采用型等效電路之低頻段萃取值，而仍為未知數(shù)，需要根據(jù)（）式形成三個(gè)方程時(shí)求其聯(lián)立解。第二步，考慮更高諧之串聯(lián)與接地諧振點(diǎn)之電感元件修正型等效電路圖為考慮更高諧之串聯(lián)與接地諧振點(diǎn)之電感元件修正型等效電路，但與圖不同的是其接地的效應(yīng)，以及之并聯(lián)諧振電路來(lái)表示。其諧振角頻率一般排出掉兩回授網(wǎng)絡(luò)互重疊

7、的諧振頻率值。如圖所示，的諧振極點(diǎn)與諧振零點(diǎn)分別以與表示，可以分別在（代表參數(shù)的虛數(shù)部分）與取其倒數(shù)的曲線中輕易找出。的諧振極點(diǎn)與諧振零點(diǎn)分別以與表示，表示元件的次高諧振極點(diǎn)位置，（代表參數(shù)的虛數(shù)部分）與同樣可以在取其倒數(shù)的曲線中輕易找出。接著將圖與圖中所觀察到的諧振頻率值代入節(jié)的推導(dǎo)公式中，即可以萃取出修正型等效電路的各項(xiàng)集總元件參數(shù)。結(jié)語(yǔ)本文主要討論嵌入式電感設(shè)計(jì)及模型化，模擬結(jié)果的吻合程度可知模擬軟件使用在元件設(shè)計(jì)上將扮演重要角色。文中介紹的修正型等效電路對(duì)于電感的各種諧振點(diǎn)預(yù)測(cè)均比傳統(tǒng)模型準(zhǔn)確，嵌入式無(wú)源元件模型對(duì)于電設(shè)計(jì)的快速發(fā)展是至關(guān)重要的，將結(jié)構(gòu)模型和等效電路模型結(jié)合起來(lái)建立符合工藝的無(wú)源元件與結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的等效電路庫(kù)將有助于縮短設(shè)計(jì)周期提高設(shè)計(jì)效率，因此要進(jìn)一步完善此模型仍需做大量的研究工作。而言接近傳輸線重復(fù)周期所對(duì)應(yīng)之角頻率。圖之元件值中可用型等效電路之低頻段萃值，與可由上式求得，剩下的元件值則需要找尋更多的方程式，從（）式中可得到（）式：（）（）與（）兩式表明電感模型可用兩回授網(wǎng)絡(luò)代之，一為有效電感值與并聯(lián)回授網(wǎng)絡(luò)互相并聯(lián)，并聯(lián)后總導(dǎo)納值為，另一為一